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摘要
从简单的微粒操纵,到作用在粒子上的皮牛力的精确测量,近年来光镊技术发展迅速,已成为生物、物理、化学等领域的重要微操纵和微测量工具。使用四象限探测器(QPD)记录微粒做受限布朗运动时的位置信息,然后利用功率谱密度法可以快速精确地计算出光镊的光阱刚度。这种方法测量光阱刚度只需知道样品溶液的粘滞系数即可,无需标定四象限探测器的电压信号与粒子布朗运动位移之间的关系因子。本文所用四象限探测器带宽为150KHz,可以快速精确跟踪粒子的布朗运动。图1为本文测量光阱刚度的实验光路图,波长1064nm的激光经过透镜Lens1、Lens2组成的望远镜系统扩束准直后,经双色镜DM1和反射镜入射到100X的浸油物镜OB1,聚焦到样品上,然后被聚光镜OB2收集,由双色镜DM2反射到四象限探测器。LED光源经聚光镜照明样品,经100X浸油物镜、双色镜DM1后,在CCD上对微粒放大成像进行实时监测。图2是实验数据处理结果,图2(a,b)为直径5μm的酵母菌细胞在光阱中作受限布朗运动时的横向位移统计分布,可以看出酵母菌细胞的横向位移符合高斯分布;图2(c,d)是酵母菌细胞横向位移的功率谱密度,由拟合曲线的转折频率和样品所在液体的粘滞系数可以计算出光阱刚度,在激光功率为250mW的条件下,横向的光阱刚度分别为kx=25.8pN/μm,ky=38.7pN/μm。利用该系统我们测量了酵母菌细胞、聚苯乙烯小球、二氧化硅小球、PMMA小球等不同样品的光阱刚度与激光功率、粒子尺寸的关系。利用四象限探测器跟踪粒子具有很高的空间分精度(1nm),可以精确标定光镊的光阱刚度,测量粒子的受力大小,对于光镊的定量研究具有重要意义。
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单位瞬态光学与光子技术国家重点实验室; 中国科学院西安光学精密机械研究所
